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Motivation
Bei erneuerbaren Energien (Wind und Sonne) gibt es zeitliche (tageszeitliche und saisonale) sowie räumliche Schwankungen im Energieangebot, die nicht unbedingt mit dem gewünschten Energiebedarf übereinstimmen, was dazu führt, dass elektrische Energie zwischengespeichert werden muss.
Heute entfallen über 99 % der weltweit installierten Energiespeicherkapazität auf Pumpspeicherkraftwerke. Der Einsatz dieser Technologie hängt jedoch von topologischen Zwängen ab und leidet unter dem Mangel an verfügbaren Standorten, was die Frage nach alternativen Energiespeichertechnologien aufwirft.
Eine vielversprechende Möglichkeit stellt die Familie der Redox-Flow-Batterien dar. Der Vorteil dieser Klasse von Sekundärbatterien besteht darin, dass die Energie in chemischer Form in den flüssigen Elektrolyten gespeichert wird, die in separaten Tanks gelagert werden können.
Der REDBP-Prozesses
Der REDBP Prozess ist eine Sonderform dieser Flow-Batterien. Er besticht durch sehr günstige Ausgangs-Materialen (NaCl, HCl, NaOH und Membranen). Elektrische Energie wird dabei gespeichert indem aus NaCl Lösung durch eine geschickte Verschaltung aus Elektrolytkammern und Ionentauschermembranen zu Salzsäure und Natronlauge umgesetzt wird. Bei der Neutralisationsreaktion wird wiederrum elektrische Energie freigesetzt.
Eine REDBP Zelle Besteht aus einer sich wiederholenden Einzelzelle sowie den Elektrodenkammern. Eine Einzelzelle besteht aus jeweils einer NaCl, HCl und einer NaOH Kammer die durch eine Anionentauschermembran (AEM), eine Kationentauschermembran (CEM) sowie eine bipolare Membran getrennt sind. Diese bildet Herzstück des Prozesses und besteht aus einer AEM und CEM mit einer Katalysatorschicht in der Mitte. In dieser wird beim Laden Wasser gespalten zu H+ und OH- Ionen sowie bei der Rückreaktion aus den Ionen wieder Wasser gebildet wird. Die Kammern werden ständig mit Elektrolyt aus den Tanks durchströmt.
Der größte Nachteil des Prozesses ist die Limitierung der Stromdichte bei der Entladung. Diese folgt aus der De-Laminierung der bipolaren Membran bei zu hohen Entladeströmen, da das entstehende Wasser nicht mehr abtransportiert werden kann. Gleichzeitig darf der Wassertransport in der bipolaren Membran nicht zu groß sein, da sonst der in die Gegenrichtung verlaufende Transport der Ionen zu stark gehemmt wird.
Methodik und Zielsetzung
Der Prozess wird auf Basis der Maxwell- Stefan-Gleichungen modelliert, da einfachere Transportansätze die Phänomene bei den vorliegenden Konzentrationen und innerhalb der Membranen nur schwer abbilden können. Das System wird mittels finiter Volumen diskretisiert sowie unter Annahme eines Plug-Flow beschrieben (kein Informationstausch in Gegenrichtung der Strömung). Ein erster Vergleich zwischen experimentellen Daten und Simulationen zeigen gute Übereinstimmungen für die Berechnung der Einzelzelle, aber noch starke Abweichungen für den Stack.
Entsprechend soll das Modell in einem nächsten Schritt optimiert werden und dann dazu genutzt werden ein optimales Verhältnis für den Transport von Wasser und Ionen in den Membranen vorherzusagen.
Kontakt
Thorben Mager
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter